Мєлков Г А, Васючков В І, Дзяпко А Д і Чумак А В Київський національний університет імені Тараса Шевченка (КНУ) вул Володимирська, 64, Київ, 01033, Україна тел: +38 (044) 526-05-53, fax: +38 (044) 526-06-00, e-mail: melkov@univkievua

Анотація – Досліджено можливість створення пристроїв для обробки мікрохвильових сигналів на основі зразків залізо-ітрієві граната (ЖИГ) сферичної форми В основі роботи приладів лежить ефект звернення двухмагнонной релаксації, обумовленої лінійним розсіюванням коливань однорідної прецесії намагніченості на неоднорідностях зразка Звернення релаксації здійснено шляхом параметричного звернення хвильового фронту дипольно-обмінних спінових хвиль, які утворилися при розсіянні однорідної прецесії Були отримані затримки сигналів до 1,3 мкс, амплітуда затриманого сигналу могла перевищувати початкову

I                                       Введення

Основний внесок у ширину лінії феромагнітного резонансу ΔΗ вносять процеси двухмагнонной релаксації [1] В результаті двухмагнонного розсіювання однорідна прецесія намагніченості (ОП), або магнони з хвильовим числом к ​​= 0, збуджує спінову хвилю, або магнони з хвильовим числом до ~ 2Tda * к = 0, визначеним розміром неоднорідності а Для монокристалів ЖИГ з типовим розміром неоднорідностей а ~ 1 мкм це означає, що будуть порушуватися дипольно-обмінні спінові хвилі (досвіт) з до -Ю * см’, які характеризуються малими груповими швидкостями і малим параметром загасання [2]

Рис 1 Експериментальним макет

Fig 1 Experimental model

В результаті двухмагнонной релаксації енергія ОП до необоротного перетворення в теплові коливання грати переходить до системи досвіт, де вона існує навіть після зникнення коливань ОП, т к часи життя досвіт в кілька разів перевершують часи життя ОП До досягнення амплітудою досвіт теплового рівня, енергія цих хвиль може бути передана назад в ОП Для цього був використаний ефект звернення хвильового фронту спінових хвиль під впливом електромагнітного імпульсу параметричної накачки [3] Звернені накачуванням досвіт мають ті ж частоти що і первинні, але протилежно спрямовані хвильові вектора, тобто вони поширюються по тій же траєкторії, але в зворотному напрямку Як результат, звернені досвіт розсіюються на тих же неоднородностях, на яких розсіялася ОП і, через подвійну час затримки подачі імпульсу накачки, разом частково відновлюють сигнал ОП

II                              Основна частина

Пристрій експериментального макета зображено на мал1 Сигнал частоти ® s / 2 ^ – «4,7 ГГц подавався на феритову сферу (1) і знімався з неї за допомогою петлі звязку (2), що є оконечной навантаженням 50-омного коаксіального кабелю (3) Феррі-товая сфера перебувала всередині прямокутного діелектричного резонатора (4), налаштованого на частоту накачування ® р/2я · »9,4 ГГц змінне магнітне поле резонатора на сфері паралельно зовнішньому постійному магнітному полю Але, тобто реалізується випадок паралельної накачки спін-хвильової нестабільності [1] Резонатор був виготовлений з термостабільної кераміки з величиною s ~ 80 для приміщення ферритовой сфери в ньому був просвердлений наскрізне круглий отвір діаметром 1,1 мм Потужність накачування Рр частоти «2 ® s подавалася на діелектричний резонатор з допомогою стандартного трисантиметровим хвилеводу прямокутного перерізу (5) Джерелом накачування служив магнетронний генератор, що забезпечує потужність Рр = 6 Вт при тривалості імпульсу Гр = 80 ні Джерелом сигнальної потужності Ps служив клістрон генератор Ps щоб уникнути насичення не перевищувала 10 мкВт, тривалість імпульсів сигналу Ts = 50 ні Відбитий від ферритовой сфери та випроменені нею сигнали з коаксіального кабелю через феритовий циркулятор потрапляли у вимірювальний тракт сигналу, що містить фільтр низьких частот, нізкошумя-щий напівпровідниковий підсилювач, підсилювач і напівпровідниковий детектор, сигнал з якого подавався на осцилограф

Був проведений теоретичний розрахунок коефіцієнта звернення двухмагнонной релаксації К, який являє собою відношення максимальної амплітуди відновленого сигналу ОП [4] до початкової амплітуді ОП Для розрахунку використовувалося рівняння прецесії намагніченості Ландау-Ліфшиця, з урахуванням постійного магнітного поля, змінних магнітних полів вхідного сигналу і сигналу накачування, ефективних полів кристаллографической анізотропії та неоднорідностей зразка Розрахунок показав, що принципову роль для звернення двухмагнонной релаксації в сфері відіграє наявність кристаллографической анізотропії [4], тобто для ізотропного зразка звернення релаксації неможливо Для досягнення максимальної величини коефіцієнта звернення релаксації До необхідна оптимальна величина ймовірності двухмагнонного розсіювання ОП в досвіт, при якій двухмагнонное уширение власної лінії феромагнітного резонансу приблизно дорівнює величині цієї лінії При більшому розсіянні До експоненціально падає через зростання параметра затухання досвіт, за відсутності розсіювання К = 0

На рис2 показана експериментальна залежність коефіцієнта звернення двухмагнонной релаксації від часу затримки відновленого сигналу ОП Тр Для експерименту використовувалася сфера ЖИГ діаметром 1,05 мм, яка, для збільшення кількості неоднорідностей, була додатково прошліфована абразивної пастою з розміром зерна ~ 1 мкм Повна ширина лінії феромагнітного резонансу становила ΔΗ = 0,7 Е Залежність До {Тр) близька до експоненційної і з нахилу цієї залежності (-61 дБ / мкс) може бути знайдений параметр релаксації доївши АНК = 04 Е

Рис 2 Залежність коефіцієнта поводження До двухмагнонной релаксації від часу затримки відновленого сигналу Тр

Fig 2 Dependence of two-magnon reiaxation reversal coefficient До on restored signal delay time Tp

III                                  Висновок

в роботі показана можливість створення приладу для обробки мікрохвильових сигналів, заснованих на використанні ефекту звернення двухмагнонной релаксації Використовувався метод поздовжньої параметричної накачування, частота якої в два рази перевищує частоту ОП У результаті дії накачування відбувалося звернення хвильового фронту досвіт

і, як результат, відновлення коливань ОП, максимальна амплітуда відновлених коливань могла в / <> 1 раз перевищувати первісну амплітуду ОП, збуджену зовнішнім електромагнітним полем Максимальний час затримки відновленого сигналу становило -1,3 мкс

IV                           Список літератури

[1] л м Гуревич, Г А Мєлков, Магнітні коливання і хвилі, Наука, Москва, 1994

[2] Мєлков Г А, Васючков В І, Дзяпко А Д і Чумак А В Обробка мікрохвильових сигналів за допомогою диполь-но-обмінних спінових хвиль – В кн: 14-я Міжнар Кримська конф «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології »(КриМіКо2004) Матеріали конф [Севастополь, 13-17 сент 2004 р] – Севастополь: Вебер,

2004, с 889-890

[3] Б Я Зельдович, Р Ф Пилипецької, В В Шкунов Звернення хвильового фронту Наука, Москва, 1985

[4] Мєлков Г А, Дзяпко А Д, Чумак А В, Славін А Н Звернення двухмагнонной релаксації в феритових сферах, ЖЕТФ, 126, вип 6 (12), с 1367-1376, 2004

MICROWAVE SIGNAL PROCESSING USING DIPOLE-EXCHANGE SPIN WAVES IN FERRITE SPHERES

Melkov G A, Vasyuchka V I,

Dzyapko D A, Chumak A V

National Taras Shevchenko University of Kiev (KNU) 64, Volodymyrska Str, Kiev, 01033, Ukraine Ph: +38 (044) 566-05-53, fax: +38 (044) 566-06-00, e-mail: melkov@univkievua

Abstract – The possibility of creating microwave signal processing devices based on ferrite spheres of yttrium iron garnet (YIG) is investigated The principle of devices functioning is based on the effect of two-magnon relaxation reversal associated with linear scattering of oscillations of uniform magnetization precession from sample nonuniformities Relaxation reversal is performed by parametric phase conjugation of dipole- exchange spin waves formed as a result of scattering of uniform precession from inhomogeneities The maximal delay time for the restored signal of uniform precession was about 13 μs, while the maximal amplitude could exceed the initial uniform precession amplitude

I                                        Introduction

The main contribution to the ferromagnetic resonance line width AH comes from two-magnon relaxation processes [1] As a result of two-magnon scattering, uniform precession of magnetization (UP), or a magnon with wave number k = 0, excites a spin wave with wave number до ~ 2n a φ k = 0 determined by the size a of the nonuniformity For YIG samples with a ~ 1 ЦТ, it means excitation of dipole-exchange spin waves (DESW) with small group velocities and small dissipation parameter [2] Prior to the irreversible transformation into thermal lattice vibrations, the UP energy is transformed by two-magnon relaxation first to a system of DESW, where it can exist even after the termination of uniform precession oscillations Before the attainment ofthe thermal level by the amplitude of DESW, the energy of these waves can be transferred back to UP For these purposes we used the method of phase conjugation by parametric pumping [3]

II                                       Main Part

The structure ofthe experimental model is shown in Fig 1 A signal of frequency ω^2π~ 47 GHz was fed to ferrite sphere 1 and was removed with the help of loop coupler 2, which served as a terminal load of coaxial cable 3 The ferrite sphere was placed in rectangular dielectric resonator 4 tuned to the pumping frequency ω^2π~ 94 GHz The magnetic field in the sphere was parallel to the external constant magnetic field Ho, I e, the case of parallel pumping of spin-wave instability is realized [1] A circular hole of diameter 11 mm was drilled to accommodate the ferrite sphere in it Pumping power Pp was supplied to the dielectric resonator with the help of waveguide 5 Pumping power was Pp~6\N, pulse duration 80 ns Signal power was Ps~ ^0 μW, signal duration 50 ns

The reversal coefficient До of two-magnon relaxation, which is equal to the ratio ofthe maximal amplitude of restored UP to the initial amplitude was found [4] К = 0 for the case of isotropic ferrite sample and for the case of sample without inhomogeneities

Figure 2 shows the experimental dependence of the coefficient До on the time of restored UP signal appearance Tp YIG sphere was used with diameter 105 mm which was additionally polished From the slope of this curve (61 dB/μs), we can determine DESW relaxation parameter ΔΗ* = 04 Oe

III                                     Conclusion

The possibility of microwave signal processing devices based on two-magnon relaxation reversal processes creating is shown The amplitude of restored UP signal could exceed initial amplitude in К> 1 times The maximal delay time for the restored signal was about 13 μs

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р